光誘導鐵電疇反轉(zhuǎn)及準相位匹配光學頻率變換.pdf

1、隨著激光的出現(xiàn)，人們對于光學的認識發(fā)生了重要的變化。當一束激光入射到介質(zhì)以后，會從介質(zhì)中出射一束或幾束有新頻率的光束，人們把這種效應稱為非線性效應。光學頻率變換是激光及非線性光學領域的一個重要分支，如利用材料的非線性效應可實現(xiàn)二次諧波、三次諧波的產(chǎn)生。頻率的轉(zhuǎn)換效率依賴于非線性作用過程中的相位匹配因子。利用材料的雙折射性質(zhì)可以實現(xiàn)非線性作用過程中的相位匹配，然而它受材料的雙折射性大小、溫度、作用波長及偏振等方面的限制。
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2、962年，Armstrong[1]等人提出通過周期地改變材料的二階非線性系數(shù)可以增強非線性作用過程中的頻率轉(zhuǎn)換效率，即準相位匹配技術(shù)的產(chǎn)生，這樣的晶體結(jié)構(gòu)稱為周期極化結(jié)構(gòu)：1993年，Yamada等人[2]首次報道了利用外加電場極化法在鈮酸鋰晶體中制成了一維的周期極化結(jié)構(gòu)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)利用激光輻照的方法可以降低鈮酸鋰晶體極化反轉(zhuǎn)過程中的外加電場。這一發(fā)現(xiàn)不僅使得制備周期極化鈮酸鋰晶體的難度進一步減小，有利于獲得比目前更厚的晶體樣品，

3、而且為疇結(jié)構(gòu)的制備提供了一種新的方法。
　　 一維周期極化結(jié)構(gòu)往往會限制非線性作用過程中多個頻率的變換。1998年，Berger等人[3]提出了非線性光子晶體的概念，把準相位匹配技術(shù)擴展到二維的情況，可以同時實現(xiàn)多個頻率的變換。基于二階非線性系數(shù)周期變化的非線性光子晶體是一種極具發(fā)展前景的光波長變換材料；而根據(jù)二階非線性系數(shù)的變化形式，可以實現(xiàn)準周期甚至無序形式的非線性晶體結(jié)構(gòu)。當激光與這些材料相互作用時，可以同時實現(xiàn)多個非線性

4、相互作用的過程，如寬帶的倍頻及級聯(lián)三次諧波的產(chǎn)生。
　　 本論文的內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　 第一章對材料的二階非線性效應及二次諧波、三次諧波的產(chǎn)生過程進行了簡單的介紹，概括的介紹了準相位匹配技術(shù)的原理、制備方法等，并給出了本論文的工作安排。
　　 第二章研究了可見光聚焦輻照下鈮酸鋰晶體的光誘導鐵電疇反轉(zhuǎn)特性。首先簡介了鈮酸鋰晶體的極化特性，疇反轉(zhuǎn)過程及疇結(jié)構(gòu)的觀測方法等。隨后，我們在實驗和理論上對可見光誘導鈮

5、酸鋰晶體中疇反轉(zhuǎn)電場降低的機理進行了深入的研究和探討。我們研究了不同摻雜的鈮酸鋰晶體在514.5nm可見光聚焦輻照下疇反轉(zhuǎn)電場降低的情況。我們發(fā)現(xiàn)，對于不同摻雜的晶體，反轉(zhuǎn)電場降低的最大數(shù)值基本相同，并且極化疇總是在晶體的-c面首先成核；不同于一般情況下得到的反轉(zhuǎn)疇結(jié)構(gòu)，用激光誘導方法形成的疇結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。通過分析，我們建立了空間電荷場的理論模型，合理的解釋了激光誘導鈮酸鋰晶體疇反轉(zhuǎn)的過程。
　　 第三章在實驗及理論上研究了無序

6、鐵電疇結(jié)構(gòu)的鈮酸鍶鋇(SBN)晶體中二次諧波及級聯(lián)三次諧波的產(chǎn)生過程。首先，分析模擬了無序疇結(jié)構(gòu)的倒格矢空間，由于倒格矢量的連續(xù)性，使得倍頻及和頻過程中的相位匹配關(guān)系可以同時得到滿足，從而在空間域及頻域大大增加了諧波的調(diào)節(jié)范圍；隨后，我們進行了雙光束耦合實驗，通過測量和分析二次諧波能量在空間的分布形式等，可以實現(xiàn)短脈沖信號的測量，如脈寬、脈沖序列等；最后，我們首次從實驗上發(fā)現(xiàn)，在無序疇結(jié)構(gòu)的SBN晶體中同樣可以實現(xiàn)級聯(lián)三次諧波的產(chǎn)生，并

7、對它的產(chǎn)生過程及偏振性質(zhì)等進行了詳細分析，在理論上模擬了諧波的產(chǎn)生過程，表明諧波的能量隨著傳播距離的增加是一個線性增長的過程。
　　 第四章研究了周期及準周期極化結(jié)構(gòu)中非線性的Cerenkov和Raman-Nath衍射。首先，介紹了二次諧波的Cerenkov及Raman-Nath兩種非線性衍射形式，著重分析了Ccrcnkov衍射環(huán)的能量分布及偏振特性；隨后，我們通過雙光束耦合，首次在實驗上觀察到了多組二次諧波Cerenkov衍射